Cell types, connectivity and behavior-dependent recruitment of vasoactive intestinal peptide-expressing interneurons in the mouse hippocampus

L'inhibition joue un rôle important dans l'organisation spatio-temporelle de l’activité synchronisée des réseaux, ce qui est important pour la performance cognitive. Cependant, la compréhension de l'inhibition corticale a été une tâche difficile, car ce processus est exécuté par une grande diversité de neurones GABAergiques locaux et à longue portée (LRP) (Soltesz, 2006). Dans l'hippocampe, les interneurones spécifiques aux interneurones (IS) exprimant le peptide vasoactif intestinal (VIP+) jouent un rôle de désinhibition local et sont divisés en deux groupes: les interneurones spécifiques de type 2 (IS2) et de type 3 (IS3). Récemment, une nouvelle cellule VIP+ à projection longue portée (VIP-LRP) avec un soma située dans le stratum oriens / alveus (O/A) de la corne d’Ammon (CA1) de l'hippocampe et dont l'axone projette vers le subiculum (SUB) a été découverte. Comme les cibles postsynaptiques et la fonction des cellules GABAergiques à projection sont inconnues pendant différents états chez des animaux éveillés, nous visions à déterminer les cibles des VIP-LRP dans le CA1 et le SUB. J'ai d'abord effectué une libération de glutamate par stimulation à deux photons en combinant la photoactivation des cellules VIP-GFP+ dans le O/A du CA1 et l’enregistrement par patch-clamp de leurs cibles. Nous avons constaté que les VIP-LRP agissent contactent différentes classes d'interneurones dans le O/A et le stratum radiatum (RAD). Cependant, distalement dans le SUB, ils étaient en contact avec cellules pyramidals (PCs) et les interneurones. Ensuite, pour étudier le rôle fonctionnel de ces cellules, nous avons effectué de l’imagerie calcique (Ca2 +) à deux photons in vivo de l'activité des interneurones VIP+ chez des souris fixées par la tête sur un tapis roulant. Nous avons constaté que les cellules VIP-LRPs étaient recrutées pendant les périodes d'immobilité et réduisent leur activité au cours des épisodes thêta lors de la locomotion. Avec ces résultats, nous pouvons considérer les VIP-LRPs comme des régulateurs clés du processus mnémonique, tels que la récupération de la mémoire nécessitant une cohérence entre le CA1 et le SUB lors d'états calmes (Jackson et al., 2011; Roy et al., 2017). Dans l'hippocampe, on sait peu de choses sur l'implication des cellules IS3 dans les comportements dépendant de l'hippocampe tels que la mémoire spatiale et l'anxiété. En utilisant un water T-maze (WTM) pour étudier l'apprentissage spatial, nous avons constaté que pendant l’extinction de ces cellules, la souris offrait sa pire performance. Dans le contexte de la mémoire, la sous-unité α5 des GABAAR (α5-GABAAR) a été considéré comme l'une des cibles pharmacologiques les plus intéressantes, car son blocage améliore la mémoire dépendante de l'hippocampe (Atack et al., 2006; Caraiscos et al., 2004; Collinson et al., 2002). Le blocage de cette sous-unité chez des souris effectuant un WTM a sauvé la perte de mémoire induite par la désactivation de l'entrée du signal des VIP+ confirmant l'implication de l'inhibition tonique dans la régulation de l'apprentissage spatial. Cependant, cette amélioration des performances cognitives est associée à une augmentation de l'anxiété, indiquant que l’activité de ces cellules peut être impliquée dans la régulation de l'anxiété. Finalement, les déficits de mémoire et le déclin cognitif sont considérés comme la marque du vieillissement du cerveau. Jusqu’à présent, il était reporté que les interneurones positifs à la calrétinine (CR) figuraient parmi les premières cibles de modèles de souris associés à l’âge tel que la maladie d'Alzheimer (AD) (Baglietto-Vargas et al., 2010). Compte tenu de ce qui précède, j'ai effectué des enregistrements par patch-clamp d’IS3s pour étudier leur implication dans le déclin de la mémoire lié à l'âge. Les résultats montrent que la morphologie de ces cellules est préservée pendant le vieillissement, mais montre aussi une durée plus longue des potentiels d’action et une réduction du taux de décharge. Ces modifications entraînent une augmentation de l'inhibition des interneurones du O/A ciblés par les cellules IS3. Cela pourrait expliquer l'hyperactivité des PCs associée à une déficience cognitive et une augmentation du risque pour l’AD (Bakker et al., 2012; Busche et al., 2012; El-Hayek et al., 2013). En conclusion, cette étude a révélé de nouvelles propriétés et motifs d’activités des neurones VIP+ de l’hippocampe pendant des états comportementaux spécifiques durant toute la vie de l’animal. Cela devrait être important pour comprendre les mécanismes de l’apprentissage et la mémoire ainsi que les déficiences cognitive pendant le vieillissementInhibition plays an important role in the spatio-temporal organization of synchronized network activity, which is important for cognitive performance. However, understanding cortical inhibition has been a challenging task as it is executed through a large diversity of local and long-range projecting (LRP) GABAergic neurons (Soltesz, 2006). In the hippocampus, the interneuron-selective (IS) vasoactive intestinal peptide (VIP)-expressing (VIP+) interneurons play a role of local disinhibition and are subdivided into 2 groups: type 2 and type 3 interneuron-specific (IS2, IS3) cells. Recently, a novel long-range projecting VIP+ cell (VIP-LRP) with the soma located in the hippocampal cornu ammonis (CA1) stratum oriens/alveus (O/A) and axon innervating CA1 and the subiculum (SUB) has been discovered. Since little is known about the postsynaptic targets and function of GABAergic projecting cells during different network states in awake animals, we aimed to determine the targets of VIP-LRP cells in CA1 and SUB. I first performed single-cell two-photon glutamate uncaging-based mapping of connections by combining the photoactivation of CA1 O/A VIP-GFP+ cells and patch-clamp recordings of interneuron and PCs targets. We found that VIP-LRP cells locally act as disinhibitory cells contacting different classes of inhibitory interneurons, either in the O/A or in the stratum radiatum (RAD). However distally in the SUB, they were contacting both pyramidal cells (PCs) and interneurons. Next, to study the functional role of these cells we performed in vivo two-photon calcium (Ca2+) imaging of VIP+ interneuron activity in head-restrained awake mice running on a treadmillI. We found that VIP-LRP cells were recruited during immobility periods and were behaving as theta-off cells, decreasing their activity during theta-run episodes. Based on these findings we can consider VIP-LRPs as important key regulator of mnemonic process such as memory retrieval requiring coherency between hippocampal CA1 and SUB areas during quiet states (Jackson et al., 2011; Roy et al., 2017). Furthermore, in the hippocampal CA1 area, VIP+ IS interneurons, in particular IS3 cells have been characterized intensively based on their cell identity, physiological properties and connectivity pattern (Chamberland et al., 2010; Tyan et al., 2014). However, differently from neocortical VIP+ interneurons very little is known about the involvement of IS3 in hippocampus-dependent behaviors, such as spatial memory and anxiety. Using a water T-maze (WTM) to investigate egocentric and allocentric spatial learning, we found that silencing VIP+ cells worsens mouse performance. This data indicated clearly the involvement of hippocampal VIP+ IS cell in hippocampus-dependent memory tasks. In the context of memory, the alpha5 subunit-containing GABAA receptor (α5-GABAAR) has been seen as one of the most interesting pharmacological targets, as blocking this subunit improves hippocampus-dependent memory (Atack et al., 2006; Caraiscos et al., 2004; Collinson et al., 2002). Blocking the α5-GABAAR subunit in mice performing WTM successfully rescued the memory impairment induced by silencing of VIP+ input, confirming the involvement of tonic inhibition in the regulation of spatial learning. However this improvement in cognitive performance is associated with an increase in anxiety, indicating that phasic inhibition by the α5-GABAAR-containing VIP+ inputs onto CA1 interneurons may be involved in regulating anxiety. Finally, memory deficits and cognitive decline are considered a hallmark of the aging brain, with neocortical circuits being affected the most during age-dependent functional decline (Murman, 2015). So far, it has been reported that calretinin (CR)-positive IS interneurons were among the early targets in mouse models of age-related disorders, such as Alzheimer’s disease (AD) (Baglietto-Vargas et al., 2010). Considering the above, I performed patch-clamp recordings from IS3 cells to study their involvement in age-related memory decline. The results showed that, while the morphology of these cells was preserved during aging, functional remodelling occurred, such as a longer duration of the action potential as well as reduction in the firing rate. These modifications led to an increase inhibitory drive onto O/A interneurons targeted by IS3 cells. This could account for the hyperactivity of PCs associated with cognitive impairment and could increase the risk for AD development (Bakker et al., 2012; Busche et al., 2012; El-Hayek et al., 2013). In conclusion, this study reveals new properties and activity patterns of hippocampal VIP+ neurons during specific behavioral states and across the animal lifespan, which should be important for understanding the circuit mechanisms of learning and memory, as well as cognitive impairments during aging